专利名称：一种多小区协作无线通信系统联合编解码方法
技术领域：
本发明涉及3GPP LTE(第三代合作伙伴计划的长期演进)标准化进程技术，尤其涉及一种基于非理想信道状态信息的多小区协作无线通信系统联合编解码方法。
背景技术：
随着移动通信技术的不断发展，新一代移动通信系统要求能够支持高达每秒数百兆甚至IG比特的高速数据业务速率。在无线资源日趋紧张的情况下，采用新型网络架构，利用支持多小区协作传输的多天线发送和多天线接收的MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)无线传输技术，充分挖掘空间资源，最大限度地提高频谱利用率和功率效率，构建新型无线通信网络，成为未来移动通信研究的关键所在。采用多天线发送和多天线接收的MIMO传输技术是挖掘利用空间维度无线资源、 提高频谱利用率和功率效率的基本途径，十余年来一直是移动通信领域的主要研究点，并成为新一代移动通信系统的核心技术。MIMO技术的主要特色是在发送端和接收端均采用多天线单元完成信息的发送与接收，但将该技术直接应用于传统蜂窝系统，会导致较为严重的小区间干扰，且无法利用现存的消除干扰手段进行有效抑制，极大地制约了系统频谱利用率的提高。理论研究表明基于多小区协作的MIMO传输技术可有效地克服小区间干扰， 突破传统移动蜂窝结构对频谱利用率的限制，大幅度提升系统的功率效率。目前，该技术已引起国际学术界的广泛关注，同时也成为三个主要标准化组织实现其技术向IMT-Advanced 标准演进的主流技术之一。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于非理想信道状态信息的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，以降低小区间的干扰，提高系统的可达和速率。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种多小区协作无线通信系统联合编解码方法，基于一个非理想信道状态信息的多小区协作系统，所述协作系统包括1个中央处理单元和M个基站，所述基站与小区一一对应，且每个基站服务与之对应小区的一个用户终端，各基站之间交互非理想信道状态信息， 并通过基站间的协作来联合设计发送预编码矩阵和接收解码矩阵，该方法包括如下步骤(1)所有基站从各自服务的用户终端获取非理想信道状态信息，并传递给中央处理单元；(2)中央处理单元根据所获的非理想信道状态信息计算各基站的发送预编码矩阵，并传递给各基站；中央处理单元计算各用户终端的接收解码矩阵，并通过基站传递给各用户终端；(3)根据步骤(2)中的发送预编码矩阵和接收预编码矩阵进行联合发送与接收。在步骤(1)中，所述非理想信道按照如下方式建模设系统中各基站的天线数为Nt，各用户终端的天线数为队，定义Hu表示第i个小区的用户终端与第j个小区的基站之间的信道矩阵，将其建模为丐+Ey.，其中:&y表示信道 的估计值，Ei^示信道的估计误差，并具有如下联合相关结构0y.=Sy.+Ur’y.(My.e 0!!d’y.)l^.,Ey.=Ur’y.(My.e E,^) U^,其中，和Utiij分别为NrXNr和NtXNt的固定酉矩阵，^为NrXNti的固定的实矩阵，表示信道直达径，Mij为NrXNti的固定的实矩阵，表示信道的散射分量，0 是NrXNt 的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为的独立同分布的复高斯随机变量，Eiid,。.是 NrXNt的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为《的独立同分布的复高斯随机变量，i、j = 1，L，M，e表示Hadama乘积，上标(·)H表示矩阵共轭转置运算；第i个用户终端的接收信号表示为= Η . χ. +uVfJsJ + n，其中，yi表示凡Xl的接收信号向量，Fi表示第i个基站的预编码阵，Si表示第 i个基站发送的符号流，η,表示噪声方差为Ntl的高斯白噪声向量，预编码矩阵满足发送功率限制，j^i^Pi表示第i个基站的发送功率，tr{·}表示矩阵的求迹运算；上式
中Σ二和HrpX表示来自其他小区的干扰，总噪声为Σ二和1M^ +n^，其协方差矩阵记为
i ο在步骤(1)中，所述第i个基站从对应的用户终端所获取的非理想信道状态信息包括基站与所服务的用户终端之间的信道估计 ,、来自第j个基站的信道统计状态信息、 估计误差的方差^、以及噪声方差Ntl ；其中来自第j个基站的信道统计状态信息包括酉矩阵Unij,酉矩阵Utiij，直达径矩阵Iiy.，散射分量Mij，i、j = 1，1(，1，且」Φ i。在步骤(1)中，所述非理想信道状态信息的获取方法包括反馈模式和隐反馈模式当采用反馈模式时，用户终端利用信道参数的估计值:&y.，计算发送相关矩阵 =五{0>,}和接收相关矩阵民,=￡{0,1^}，其中i、j = 1,2, L，M，E{ · }表示求期望；接下来分别对这些发送相关阵和接收相关阵进行特征分解Ru^Uu.AMU^.， Rry = Ur^ArjjKv，从而获得酉矩阵Iij和酉矩阵Utaj ；然后利用公式j = ^计算直达径矩阵Iiy.，利用公式M;e Mi=Ej^e鹆*}计算散射分量Mij，其中鹆=U^ftyUi y.，上标 (·广表示矩阵的共轭运算；最后，第i个用户终端将酉矩阵仏酉矩阵Ut,…直达径矩阵
，散射分量Mij，估计误差的方差《，j = 1，K，M，所属用户的信道估计& .，以及噪声方差Ntl 反馈给第i个基站，i = Ι,Κ,Μ；当采用隐反馈模式时，各基站利用接收链路的信道估计结果以及信道的互易性获得信道估计:&y、估计误差的方差《和噪声方差Ntl，采用与反馈模式相同的方法计算出酉矩阵Ur, ij;酉矩阵Ut,⑴直达径矩阵^，散射分量Mij，。在步骤O)中，所述中央处理单元计算发送预编码矩阵和接收解码矩阵按如下步骤进行(2a)对散射分量Mu进行奇异值分解My_ = UyAy V^，设Kij表示非零奇异值的个数，uf1表示由第k个非零奇异值的均方根乘以酉矩阵Uu的第k列所得的向量，vf1表示由第k个非零奇异值的均方根乘以酉矩阵Vu的第k列所得的向量，Ag表示由向量uf1中元素
构成的对角矩阵，八$表示由向量^中元素构成的对角矩阵，则My. =Ii1UfVf1，其中i，j =1,2, L，M;(2b)根据公式计算矩阵吨〕=Ur，y.O$l4.和Tf〕Zl^AgAgl^，其中 k、l = LK5Kij, i、j = 1，2，L，M;(2c)设定最大迭代次数N以及收敛判决门限ε，令η = 0，初始化发送预编码向量 Fi =F ，并满足功率限制炉乃，其中i = 1，2，L，M;(2d)利用下述公式计算总噪声协方差矩阵Σ i，其中i = 1,2, L，M
M Kij KijMM Kij Kij +Σ ν^Γ +ΣΣΣ(ι-《Μι^^);Κ)；
j=l k=l /=1 j=l j=l k=l /=1(2e)利用下述公式计算接收解码矩阵Gi,其中i = 1，2，L，M :Gi = FfHf (H^FfHf + )—1 ；(2f)利用下述公式计算系数af1和μ i，其中k，1 = 1，K，Kij, i = 1,2, L, M ^=^(0,^%%^),A=去+fGfif)-去X+^^I + Ffl^nF^fi^Ff)
rIrI j=\
J^i
1 M KIJ KIJ1 M KJI KJI'-去ΣΣΣ《,Μ咬)W)-去ΣΣΣΟ-Ο^Μ1^1^)
j=\ k=\ /=1 j=\ k=\ /=1(2g)利用下述公式计算矩阵Ai,其中i = 1，2，L，M
M Ki} KIJMM KIJ KIJ
A, = Σ Σ Σ ^^ + 从 + Σ H^Gf (I + FfH^T1HiiF; )^,+111(1"^) ；
j=\ k=\ /=1 j=\ j=\ k=\ /=1 ，
j^i j^i(2h)利用下述公式计算接收解码矩阵Fi,其中i = 1，2，L，M :Fi=AfHfGf;(2i)令η = η+1，判断η = N是否成立，若判断结果为是，则程序终止；(2j)若步骤Qi)的判断结果为否，则判断Itw-F广-爿…^是否成立，若判断结果为是，则对所有的i = 1，2，L，M都成立，则程序终止；其中I I ·| I表示矩阵的Frobenius范数(2k)若步骤Qj)的判断结果为否，否则，返回步骤Od)。所述发送预编码矩阵和接收解码矩阵的计算标准是基于最大化系统和容量的下界。有益效果本发明提供的基于非理想信道状态信息的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，计算复杂程度低，适用于各种典型的多小区协作无线通信系统；在本方法中，各基站之间仅需要交换非理想信道通信状态信息，有效减缓了各基站之间的信息交互； 并且本方法能够根据信道环境的变化进行多小区联合发送预编码矩阵和接收解码矩阵的设计，有效降低了小区间的干扰，显著提高了系统的可达和速率。
图1为本发明实施的一种多小区协作无线通信系统的结构示意图；
图2为本法方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1所示为一个基于非理想信道状态信息的多小区协作无线通信系统，包括1 个中央处理单元和M个基站，所述基站与小区一一对应，且每个基站服务与之对应小区的一个用户终端，各基站之间通过中央处理单元可以交互非理想信道状态信息，并通过基站间的协作发送预编码矩阵Fi和接收解码矩阵Gi,该方法包括如下步骤(1)所有基站从各自服务的用户终端获取非理想信道状态信息，并传递给中央处理单元；(2)中央处理单元根据所获的非理想信道状态信息计算各基站的发送预编码矩阵，并传递给各基站；中央处理单元计算各用户终端的接收解码矩阵，并通过基站传递给各用户终端；(3)根据步骤(2)中的发送预编码矩阵和接收预编码矩阵进行联合发送与接收。其中步骤(2)的流程如图2所示，具体包括如下步骤步骤201 各用户估计信道估计^y.、估计误差的方差《和噪声方差Ntl，其中i、j = 1,2, L, Μ。步骤202 判断是否采用隐反馈模式。步骤203:当采用反馈模式时，用户终端利用信道参数的估计值iky.，计算发送相关矩阵民，,=五{^&,}和接收相关矩阵民,=五{0,1^}，其中i、j = 1,2, L，M，E{ · } 表示求期望；分别对这些发送相关阵和接收相关阵进行特征分解R,，y =Um7AmZU^.， Rry = ，从而获得酉矩阵Ur,υ和酉矩阵Utaj ；然后利用公式j = 算直达
径矩阵Iiy.，利用公式M;e Mi=Ef^e辨*}计算散射分量Mij，其中鹆=U^ftyUi y.，上标 (·广表示矩阵的共轭运算，i、j = 1,2, L,M0步骤204 第i个用户终端将酉矩阵Ur, ij;酉矩阵Ut, ij;直达径矩阵，散射分量 Mu，估计误差的方差《，j = 1，K，M，所属用户的信道估计 ,，以及噪声方差Ntl反馈给第i 个基站，i = l，K，M。步骤205 当采用隐反馈模式时，各基站利用接收链路的信道估计结果以及信道的互易性获得信道估计:&y.、估计误差的方差^和噪声方差Ntl，采用与反馈模式相同的方法
8计算出酉矩阵Unij,酉矩阵Utiij，直达径矩阵Iiy.，散射分量Mij，i，j = 1,2, L, M0步骤206 第i个基站将与所服务的用户终端之间的信道估计0,、来自其他小区基站的信道统计状态信息、估计误差的方差《、以及噪声方差Ntl传递给中央处理单元，j = 1， K，M，其中来自其他小区基站的信道统计状态信息包括酉矩阵仏酉矩阵Ut,…直达径矩阵民，散射分量Mij，j = 1，K，M，j乒i。步骤207 中央处理单元对散射分量Mij进行奇异值分解My. = UyAy V^，设Kij表示非零奇异值的个数，uf1表示由第k个非零奇异值的均方根乘以酉矩阵Uij的第k列所得的向量，vf1表示由第k个非零奇异值的均方根乘以酉矩阵Vu的第k列所得的向量，八二表示由向量uf〕中元素构成的对角矩阵，Ag表示由向量汁1中元素构成的对角矩阵，则获得等效形式乂 =，其中 i、j = 1，2，L，M ；根据公式计算矩阵
权利要求
1.一种多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于该编码方法基于一个非理想信道状态信息的多小区协作系统，所述协作系统包括1个中央处理单元和M个基站，所述基站与小区一一对应，且每个基站服务与之对应小区的一个用户终端，各基站之间交互非理想信道状态信息，并通过基站间的协作来联合设计发送预编码矩阵和接收解码矩阵，该方法包括如下步骤(1)所有基站从各自服务的用户终端获取非理想信道状态信息，并传递给中央处理单元；(2)中央处理单元根据所获的非理想信道状态信息计算各基站的发送预编码矩阵，并传递给各基站；中央处理单元计算各用户终端的接收解码矩阵，并通过基站传递给各用户终端；(3)根据步骤O)中的发送预编码矩阵和接收预编码矩阵进行联合发送与接收。
2.根据权利要求1所述的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于在步骤(1)中，所述非理想信道按照如下方式建模设系统中各基站的天线数为Nt，各用户终端的天线数为凡，定义Hu表示第i个小区的用户终端与第j个小区的基站之间的信道矩阵，将其建模SHy. = Hy +E,，其中0 表示信道Hu的估计值，Eij表示信道的估计误差，并具有如下联合相关结构Hy = H,+Ur^ (M, e 0^.)1 ，Ey. = Ur’y. (μ, e E^y. )1 ，其中，Unij和队⑴分别为NrXNr和NtXNt的固定酉矩阵，为NrXNti的固定的实矩阵， 表示信道直达径，Mij N,XNti的固定的实矩阵，表示信道的散射分量，0 是N,XNt的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为的独立同分布的复高斯随机变量，Eiidiij是凡XNt的随机矩阵，其元素是均值为零，方差为《的独立同分布的复高斯随机变量，i、j = 1，L，Μ, e 表示Hadama乘积，上标(·)H表示矩阵共轭转置运算；第i个用户终端的接收信号表示为 =扎取 + Σ 二’内n!，其中，Yi表示凡Xl的接收信号向量，Fi表示第i个基站的预编码阵，Si表示第i个基站发送的符号流，η,表示噪声方差为Ntl的高斯白噪声向量，预编码矩阵满足发送功率限制，idF^f j^i^Pi表示第i个基站的发送功率，tr{·}表示矩阵的求迹运算；上式中Σ二表示来自其他小区的干扰，总噪声为Σ二+ ，其协方差矩阵记为
3.根据权利要求1所述的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于在步骤(1)中，所述第i个基站从对应的用户终端所获取的非理想信道状态信息包括基站与所服务的用户终端之间的信道估计 ,、来自第j个基站的信道统计状态信息、估计误差的方差《、以及噪声方差Ntl ；其中来自第j个基站的信道统计状态信息包括酉矩阵Unij，酉矩阵Utaj，直达径矩阵Iiy.，散射分量Mij，i、j = 1，K，M，且j乒i。
4.根据权利要求1所述的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于在步骤(1)中，所述非理想信道状态信息的获取方法包括反馈模式和隐反馈模式当采用反馈模式时，用户终端利用信道参数的估计值:&y.，计算发送相关矩阵 =五{裙&,}和接收相关矩阵1^,=￡{0,1^}，其中i、j = 1,2, L，M，E{ · }表示求期望；接下来分别对这些发送相关阵和接收相关阵进行特征分解R,，y^Uu.AMU^.， Rry =，从而获得酉矩阵Ur,υ和酉矩阵Utaj ；然后利用公式j = 算直达径矩阵Iiy.，利用公式M;e Mi=Ef^e辨*}计算散射分量Mij，其中鹆=U^ftyUi y.，上标 (·广表示矩阵的共轭运算；最后，第i个用户终端将酉矩阵1…酉矩阵Ut,…直达径矩阵 iiy，散射分量Mij，估计误差的方差《，j = 1，K，M，所属用户的信道估计 π，以及噪声方差Ntl 反馈给第i个基站，i = Ι,Κ,Μ；当采用隐反馈模式时，各基站利用接收链路的信道估计结果以及信道的互易性获得信道估计、估计误差的方差^和噪声方差Ntl，采用与反馈模式相同的方法计算出酉矩阵Ur, 酉矩阵Ut, ij;直达径矩阵iiy.，散射分量Mij，。
5.根据权利要求1所述的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于在步骤(2)中，所述中央处理单元计算发送预编码矩阵和接收解码矩阵按如下步骤进行(2a)计算散射分量Mij的等效形式，并得到等效相关矩阵R^和Tf1，其中k、1 = 1，K， Kij, Kij表示矩阵Mij的非零奇异值的个数，其中i、j = 1，2，L，M;(2b)设定最大迭代次数N以及收敛判决门限ε，令η = 0，初始化发送预编码向量 Fi =FiA并满足功率限制炉乃，其中i = 1，2，L，M;(2c)根据散射分量Mij的等效形式计算总噪声协方差矩阵Σ i，其中i = 1，2，L，M;(2d)根据公式计算接收解码矩阵Gi =F严Hf (H^FfHf +Σ;)—1，其中i = 1，2，L，M ；(2e)计算系数旧^炉…尽^^下^和拉格朗日乘数^，其中^ = 1, K, KijjI^j =1,2, L，M;(2f)根据总噪声协方差矩阵Σ i、系数af1和拉格朗日乘数Pi,计算过渡矩阵Ai,其中 i = 1，2，L，M ；(2g)计算接收解码矩阵F；. =AfHfGf，其中i = 1，2，L，M ；(2h)令η = η+1，判断η = N是否成立，若判断结果为是，则程序终止；(2i)若步骤(2h)的判断结果为否，则判断IfFf0-F广-爿…^是否成立，若判断结果为是， 则对所有的i = 1，2，L，M都成立，则程序终止；其中I I · I I表示矩阵的Frobenius范数(2j)若步骤(2i)的判断结果为否，否则，返回步骤(2c)。
6.根据权利要求5所述的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于所述发送预编码矩阵和接收解码矩阵的计算标准是基于最大化系统和容量的下界。
7.根据权利要求5所述的多小区协作无线通信系统联合编解码方法，其特征在于在步骤(2a)中，计算散射分量Mij的等效形式包括如下步骤(2a-l)对散射分量^进行奇异值分解My. =UyAyYf，设Ku表示非零奇异值的个数， uf1表示由第k个非零奇异值的均方根乘以酉矩阵Uu的第k列所得的向量，其中上标(·)(iJ)表示对应第i个小区的用户终端和第j个小区的基站，vf1表示由第k个非零奇异值的均方根乘以酉矩阵Vij的第k列所得的向量，则My. =Zi1UfVf1，其中i、j = 1，2，L，M;(2a-2)将Ag表示由向量uf〕中元素构成的对角矩阵，Ag表示由向量汁1中元素构成的对角矩阵；(2a-3)计算等效相关矩阵吨〕=1^031 .和Tf〕=I^AgAgu;;.,其中k、l = 1， K, Kij, i、j = 1，2，L，M。
全文摘要
本发明公开了一种多小区协作无线通信系统联合编解码方法，包括如下步骤(1)所有基站从各自服务的用户终端获取非理想信道状态信息，并传递给中央处理单元；(2)中央处理单元计算各基站的发送预编码矩阵，并传递给各基站；中央处理单元计算各用户终端的接收解码矩阵，并通过基站传递给各用户终端；(3)根据发送预编码矩阵和接收预编码矩阵进行联合发送与接收。本发明提供的方法计算复杂程度低，适用于各种典型的多小区协作无线通信系统；各基站间仅需交换非理想信道通信状态信息，减缓了各基站之间的信息交互；且本方法可根据信道环境的变化进行多小区联合发送预编码矩阵和接收解码矩阵设计，降低了小区间的干扰，提高了系统的可达和速率。
文档编号H04L1/00GK102347820SQ20111030237
公开日2012年2月8日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者张军, 江彬, 王珏, 金石, 高西奇 申请人:东南大学